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GeneraciónGeneración T Termoeléctrica con Turbinas de Gasermoeléctrica con Turbinas de Gas
65.17 - Centrales Eléctricas 65.17 - Centrales Eléctricas FI – UBA - 2011FI – UBA - 2011
DISEÑO COMPACTO Y LIVIANO
EXCELENTE DISPONIBILIDAD
SIMPLICIDAD, VERSATILIDAD
ALTA DENSIDAD DE POTENCIA
FACIL INSTALACION
BAJA VIBRACION
LARGA VIDA UTIL
POCO MANTENIMIENTO
COMBUSTIBLE: GAS NATURAL O DESTILADOS DE PETROLEO SEGÚN EL DISEÑO
INTRODUCCION
ETAPAS DEL CICLO:
INDUCCION -> COMPRESION -> COMBUSTION -> EXPANSION
CICLO DE COMBUSTION CONTINUA (A DIFERENCIA DEL OTTO)
CICLO BRAYTON:
INDUCCION Y COMPRESION DEL AIRE ATMOSFERICO
MEZCLADO CON EL COMBUSTIBLE
EXTRACCION DE ENERGIA EN ALTERNADOR
ACCIONAR AL COMPRESOR
LIBERAR GASES A LA ATMOSFERA
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
AERODERIVADAS INDUSTRIALES
TURBINA DE GAS
ADAPTACION DE LA AVIACION PARA EL USO
INDUSTRIAL
DISEÑO COMPACTO, LIVIANO PERMITIENDO SER
ENSAMBLADA EN FABRICA Y MINIMZAR LOS
TIEMPOS DE PUESTA EN MARCHA.
ALEACIONES DELGADAS, CARAS Y LIVIANAS PARA
LA CARCAZA.
RAPIDA VARIACION DE CARGA Y TOLERAN
NUMEROSOS ARRANQUES/PARADAS (BAJA
CAPACIDAD TERMICA)
BAJA FLEXIBILIDAD PARA UTILIZAR DISTINTOS
COMBUSTIBLES (DISEÑO COMPACTO DE LA CAMARA
DE COMBUSTION)
RAPIDA ACELERACION (BAJO MOMENTO DE
INERCIA).
CAJA REDUCTORA (TURBINA DE ALTA VELOCIDAD)
RELACIONES DE COMPRESION 15:1
MAYOR MANTENIMIENTO
MATERIALES DE “ALEACIONES POBRES”, MAS
ECONOMICOS, PERO REQUIEREN MAYOR ESPESOR.
GRADIENTE DE CARGA LIMITADO PARA EVITAR
STRESS TERMICO QUE RESULTA EN UN MAYOR
MANTENIMIENTO
ACELERACION MAS LENTA Y MAYOR CUPLA DE
ARRANQUE (INERCIA CONSIDERABLEMENTE
MAYOR).
EL DISEÑO DE LA CAMARA DE COMBUSTION NO
QUEDA LIMITADO POR PESO O ESPACIO, SIENDO
CAPACES DE QUEMAR DISTINTOS COMBUSTIBLES.
RODAMIENTOS MENOS EXIGIDOS, CON ACEITES
LUBRICANTES MINERALES (MENOR COSTO).
MENOR REQUERIMIENTO DE MANTENIMIENTO.
RELACIONES DE COMPRESION ENTRE 20:1 A 30:1
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
AERODERIVADAS INDUSTRIALES
TURBINA DE GAS
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
• EL COMPRESOR DE AIRE Y TURBINA, AMBOS EN UN EJE COMUN ROTANDO A MISMA
VELOCIDAD
• IMPOSIBILIDAD EN EL CAMBIO DE VELOCIDAD DE ROTACION PARA LOGRAR MEJOR
RENDIMIENTO DEL COMPRESOR ANTE DIFERENTES ESTADOS DE CARGA.
• Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
• La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de
alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia
necesaria para su funcionamiento.
• La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía
transmitida en la generación de electricidad.
• PERMITEN LA OPERACIÓN A VELOCIDAD VARIABLE ENTRE 60-100% DE LA VELOCIDAD
• Esta configuración permite mejorar la eficiencia por medio de la optimización de las
secciones de alta baja presión de del ciclo.
• RESPUESTA TRANSITORIA INFERIOR A LA SINGLE SHAFT
• tecnología utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor
comportamiento frente a variaciones de carga.
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
TIPOS DE TURBINAS DE GAS
INSTALACION BASICA
1-> 2 COMPRESIÓN ISOENTROPICA DEL GAS (AIRE)
2-> ADICION DE CALOR A PRESION CONSTANTE
3-> EXPANSION ISOENTROPICA DEL GAS HASTA LA PRESION AMBIENTE
4-> CALOR ENTREGADO A LA ATMOSFERA A PRESION CONSTANTE
INDUCCION Y COMPRESION DEL AIRE ATMOSFERICO (COMPRESOR)
MEZCLA CON EL COMBUSTIBLE (CAMARA DE COMBUSTION)
EXTRACCION DE ENERGIA EN ALTERNADOR (TURBINA) Y ACCIONAR AL COMPRESOR
LIBERAR GASES A LA ATMOSFERA
CICLO TERMODINAMICO
RENDIMIENTO
)(
)(1
)(
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)]()[(
)(
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23
14
23
1423
1423
14
23
TT
TT
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TTcTTc
Q
TTTTcmQQW
TTcmQ
TTcmQ
p
pp
R
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pER
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SE DEFINE RELACION DE PRESION:
1
2
4
3
p
p
p
prp
k
k
p
p)1(
2
11
k
k
p
k
k
rp
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T
T1
1
1
2
1
2
k
k
pr
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11
EN PROCESOS ADIABATICOS:
EL RENDIMIENTO AUMENA CON:↑RELACION DE PRESION
↓TEMPERATURA AMBIENTE
RENDIMIENTO SEGÚN RELACION DE COMPRESION:
RENDIMIENTO
CONSUMO ESPECIFICO SEGÚN TIPO:
LA OPERACION REAL DE LA TG DIFIERE DEL CICLO BRAYTON IDEAL POR LAS
IRREVERSIBILIDADES:
EN EL COMPRESOR
TURBINA
FRICCION EN RODAMIENTOS
PERDIDA DE PRESION EN LOS ALABES Y
CAMARA DE COMBUSTION
RENDIMIENTO
EL COMPRESOR CONSUME APROXIMADAMENTE ENTRE UN 40-80% DEL
TRABAJO GENERADO POR LA TURBINA
EL RENDIMIENO DEL CICLO PUEDE VARIAR DE MANERA SIGNIFICATIVA
CUANDO BAJA EL RENDIMIENTO EN COMPRESOR Y TURBINA.
EL FLUJO DEL GAS (AIRE) VARIA PROPORCIONAL CON LA DENSIDAD DEL
AIRE. DETERMINADO POR
ALTITUD, TEMPERATURA AMBIENTE, HUMEDAD, PERDIDAS EN EL DUCTO DE
AIRE DE ALIMENTACION
LA DENSIDAD DEL AIRE DISMINUYE CON EL AUMENTO DE ALTITUD.
CADA 300 MSNM, EL FLUJO DE GAS DISMINUYE UN 3.5%
=> LA TURBINA DISMINUYE SU CAPACIDAD
RENDIMIENTO
EL AUMENTO DE LA TEMPERATURA AMBIENTE DISMINUYE SIGNIFICATIVAMENTE
EL RENDIMIENTO DE LA TG.
BAJA LA DENSIDAD DEL AIRE Y EL COMPRESOR REQUIERE MAS POTENCIA, DEJANDO
MENOS DISPONIBLE A LA TURBINA.
APROXIMADAMENTE DISMINUYE 1% POR CADA °C
SOLAR TURBINE ABB
RENDIMIENTO
EL AUMENTO DE LA HUMEDAD AMBIENTE
EL VAPOR DE AGUA, ES MAS LIVIANO QUE EL AIRE, DE MANERA QUE EL FLUJO MASICO
SE VE REDUCIDO PARA UNA VELOCIDAD DE ROTACION DETERMINADA.
ENTONCES, SE REDUCE LA RELACION DE COMPRESION
RENDIMIENTO
TIPO DE COMBUSTIBLE:
E COMBUSTIBLE LIQUIDO QUEMA MAS CALIENTE Y DE MANERA MENOS EFICIENTE QUE
EL COMBUSTIBLE GASEOSO
EL RENDIMIENTO DISMINUYE APROXIMADAMENTE 1.3%
EL AUMENTO DE LAS PERDIDAS POR CAIDA DE PRESION EN LA ADMISION
DISMINUYE SIGNIFICATIVAMENTE LA POTENCIA DESARROLLADA POR LA TG.
BAJA LA DENSIDAD DEL AIRE Y EL COMPRESOR REQUIERE MAS POTENCIA, DEJANDO
MENOS DISPONIBLE A LA TURBINA.
RENDIMIENTO
in H20 = 0.187 cmHg
CONDICIONES DE REFERENCIA ISO PARA ESPECIFICACION DE TGs:
EJ TG QUE FUNCIONARÁ BAJO CONDICIONES DISTINTAS A ISO:
CONDICIONES DISTINTAS A ISO:
RENDIMIENTO
Power = 10,000 x 0.983 x 0.956 x 0.984 x 0.997 = 9,219 hp (6,873 kW)
Heat rate = 7,770 x 1.015 x 1.007 x 1.003 =7,966 Btu/hp-h (11,269 kJ/kWh)
FACTORES DE CORRECION DEL
FABRICANTE:
OPERACIÓN A CARGA PARCIAL:
RENDIMIENTO
Elementos De Las Turbinas a Gas
ÁlabesÁlabes
DISEÑO QUE DEBE SOPORTAR GRAN ESTRES TERMICODISEÑO QUE DEBE SOPORTAR GRAN ESTRES TERMICO
Tipos de Refrigeración: Por convección o por CapasTipos de Refrigeración: Por convección o por Capas
Convección: el calor es transferido desde la sup. Del álabe al aire refigerante Convección: el calor es transferido desde la sup. Del álabe al aire refigerante
mediante métodos convectivos. (Generadores de turbulencia Long y transv) mediante métodos convectivos. (Generadores de turbulencia Long y transv)
o por el paso de aire por las superficien interna a través de orificios o por el paso de aire por las superficien interna a través de orificios
existentes en los álabes.existentes en los álabes.
Por Capas: aire comprimido a alta presión atraviesa orificios confeccionados Por Capas: aire comprimido a alta presión atraviesa orificios confeccionados
en la sup. Del álabe, direccionando el flujo de aire hacia la sup. Externa del en la sup. Del álabe, direccionando el flujo de aire hacia la sup. Externa del
álabe. El aire luego se mezcla con los gases de escape.álabe. El aire luego se mezcla con los gases de escape.
Materiales: Aleaciones en base a Niquel. Pequeños contenidos de cromo Materiales: Aleaciones en base a Niquel. Pequeños contenidos de cromo
mejoran mucho su resistencia a la corrosión. mejoran mucho su resistencia a la corrosión.
Se utilizan álabes monocristalonos para evitar problemas de bordes de Se utilizan álabes monocristalonos para evitar problemas de bordes de
granos, que por las condiciones de operación generan problemas de creep, granos, que por las condiciones de operación generan problemas de creep,
fatiga, stress, etc.fatiga, stress, etc.
Elementos De Las Turbinas a Gas
Elementos De Las Turbinas a Gas
Elementos De Las Turbinas a Gas
Elementos De Las Turbinas a Gas
Moving blade
Stationary blade
Elementos De Las Turbinas a Gas
Cámara de CombustiónCámara de Combustión El aire que abandona el compresor ingresa A CADA UNO DE LOS QUEMADORES El aire que abandona el compresor ingresa A CADA UNO DE LOS QUEMADORES
Tres tipos posibles: Tres tipos posibles: - ANULAR- ANULAR
- TUBO-ANULAR- TUBO-ANULAR
- SILO- SILO
Con el flujo de aire (estabilizado) que sale del compresor y con suministro Con el flujo de aire (estabilizado) que sale del compresor y con suministro
continuo de combustible se PRODUCE la combustión de la mezcla.continuo de combustible se PRODUCE la combustión de la mezcla.
La longitud de la cámara de combustión QUEDA determinada en función de La longitud de la cámara de combustión QUEDA determinada en función de
flujo involucrado en el ciclo. flujo involucrado en el ciclo.
Se puede reducir utilizando más cámaras en paralelo, produciendo mayor Se puede reducir utilizando más cámaras en paralelo, produciendo mayor
número de llamas más cortas.número de llamas más cortas.
Las paredes de la cámara de combustión están sometidas elevadas
temperaturas, debiendo tener una excelente refrigeración para evitar
dilataciones de los materiales.
Pueden estar refirgerados por agua o aire (compresor)
La inyección de Agua es utilizada para la reducción de los NOX originados por
los puntos calientes de la llama.
Elementos De Las Turbinas a Gas
CÁMARA COMBUSTION - ANULARCÁMARA COMBUSTION - ANULAR
En este caso la cámara consiste en un En este caso la cámara consiste en un
cilindro orientado axialmente instalado cilindro orientado axialmente instalado
alrededor del eje. Tiene un único tubo de alrededor del eje. Tiene un único tubo de
llama y entre 15 y 20 inyectores. llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas perdidas de
carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es
menos uniforme que en cámaras tuboanulares.menos uniforme que en cámaras tuboanulares.
Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas
aeroderivadas.aeroderivadas.
Elementos De Las Turbinas a Gas
CÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULARCÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULAR
•Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión. •Cada una posee un único inyector y bujía. •Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. •Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Siemens, Mitshubishi y General Electric.
Elementos De Las Turbinas a Gas
CÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULARCÁMARA COMBUSTION – TUBO-ANULAR
The world-class gas turbine combines the best features of the existing product lines and technology advancements. single-shaft SGT-8000H innovative 375 MW gas turbine.
Elementos De Las Turbinas a Gas
CÁMARA COMBUSTION – SILOCÁMARA COMBUSTION – SILO
Elementos De Las Turbinas a Gas
CÁMARA COMBUSTION – SILOCÁMARA COMBUSTION – SILO
Elementos De Las Turbinas a Gas
CÁMARA COMBUSTIONCÁMARA COMBUSTION
Elementos De Las Turbinas a Gas
COMBUSTION CON AIRE
PRIMARIO, ”MODO
DIFUSION”
COMBUSTION CON
EXCESO DE AIRE, MEZCLA
POBRE, “MODO LEAN-
LEAN”
TRANSICION A
COMBUSTION
PREMEZCLADA (LEAN-
LEAN EXTENDIDO)
COMBUSTION
PREMEZCLADA, “MODO
PREMIX”
Elementos De Las Turbinas a Gas
Elementos De Las Turbinas a Gas
Elementos De Las Turbinas a Gas
Elementos De Las Turbinas a Gas
Mejoras al ciclo
INTERCOOLING:
PERMITE ENFRIAR EL AIRE QUE POR LA COMPRESION ENTRA A ELEVADA
TEMPERATURA A LA CAMARA DE COMBUSTION.
MEDIANTE EXTRACCIONES A LA ETAPA DE BAJA PRESION Y ENFRIADO
MEDIANTE UN INTERCAMBIADOR DE CALOR, ES POSIBLE REDUCIR LA
TEMPERATURA DE DESCARGA DEL COMPRESOR DE ALTA PRESION.
DE ESTA MANERA SE LOGRAN MAYORES RELACIONES DE COMPRESION (EJ:
TG GE LMS100 rc: 42:1 Y η=44%)
EL RENDIMIENTO AUMENTA DEBIDO A QUE EL COMPRESOR CONSUME
MENOS TRABAJO Y AUMENTA EL DISPONIBLE PARA LA TURBINA.
Mejoras al ciclo
INTERCOOLING: LMS100
•Highsimple cycle, base load efficiency (44%)
•Fast startcapability delivers 100 MW in 10 min
•Excellent hot day performance
•Load followingand cycling capabilities
•Excellent part-load performance
•Aeroderivative design allows for high reliability and availability
Mejoras al ciclo
RECALENTAMIENTO (REHEAT o AFTERBURNER)
•CAMARA DE COMBUSTION ADICIONAL•INYECCION DE OXIGENO•INCREMENTA LA TEMPERATURA MEDIA DEL FOCO CALIENTE
•AUMENTA EL TRABAJO REALIZADO POR LA TURBINA
